华北理工水质工程学Ⅰ课件17过滤-4滤池冲洗

§17-4滤池的冲洗目的：清除滤层截留的污物，恢复滤池的过滤能力。方法：①高速水流反冲洗；②气、水反冲洗；③高速水流加表面助冲反冲洗。一、高速水流反冲洗（高速反冲洗）原理：在水流的剪力和滤料颗粒的相互碰撞磨擦作用下，污物从滤料表面脱落下来，被冲洗水流带出滤池。（一）冲洗强度、滤层膨胀度，冲洗时间几个概念：1、冲洗强度：（冲洗速度）滤池单位面积，单位时间的冲洗水量。单位：l/sm2或cm/s1cm/s=10l/sm22、滤层的膨胀度（率）e：滤层膨胀后所增厚度（L－L0）与膨胀前厚度（L0）之比：用孔隙率表示：滤层膨胀前后，单位滤池面积上滤料体积不变。L(1-m)=L0(1-m0)m0——膨胀前孔隙率；m——膨胀后孔隙率。代入e式中%10000LLLemmLL1100mmmmmLLmmLe1111110000003、冲洗时间：过短：滤料表面污泥冲洗不充分，长期下去会形成泥膜更难冲洗。冲洗水排不尽，使污泥重返滤层。过长：滤料磨损过快。生产上可据反冲洗废水浊度确定（自动控制）多数据经验：（二）冲洗强度与滤层膨胀度的关系1、假设：滤料粒径均匀，滤池内冲洗强度分布均匀。2、关系推导：未膨胀滤料中，水流的水头损失h欧根(Ergun)公式：(1)膨胀后：悬浮状态的滤料对水流的阻力=其在水中的重量(力)（阻力）ρgh=(ρsg-ρg)(1-m)L(重量)紊流项层流项2030000203020v1175.1v11150LmmdgLdgmmvh∴---(2)L—膨胀后滤层厚度∵(1-m)L=(1-m0)L0∴---(3)据（1）（3）式，可绘成水头损失和流速的关系曲线。Lmhs1001LmhSVmf——反冲时滤料刚刚开始流（态）化的冲洗流速称为最小流态化冲洗流速。理想化时应是（1）和（2）式的交点。v＞vmf时，滤层中水头损失不再变化。但：滤层膨胀，v大↗L大↗。（2）式代入（1）式：整理后可得：膨胀后孔隙率m与冲洗流速的关系（理论公式）1v11150v1175.1320230mmdmdgss实验公式：敏次和舒别尔特，推出的公式：（实验公式）μ—水的动力粘度Pa·sq—冲洗强度L/s·m2适用条件：滤料密度2.62g/cm3水的密度1g/cm3理查逊（J.F.Riohardson）和赞基（W.N.Eaki）提出的公式：（经验式）54.0077.131.2054.031.10114.29memedq1vvimvi—使滤料颗粒达到自由沉淀状态的冲洗流速cm/s对一定的滤料，一定的水温vi是一个常数。α—指数，决定于雷诺数。将式：代入式中得：（4）当粒径为0.5~1.2mm时，20℃水温，α=4~3粒径小，α值大。mmme10ieemv1v0冲洗强度与均匀滤层膨胀度的关系图按式（4）得出由两图可知：v＞vmf时v↗e↗v≤vmf时e=o不膨胀（三）冲洗强度的确定及非均匀滤料膨胀度的计算：1、非均匀滤料的反冲洗特征：①上中下层滤料的最小流态化冲洗速度vmf不同。d0大vmf大d0小vmf小②（据图17-14）相同冲洗强度，不同d0膨胀度e不同d0小vmf小（上层）d0大vmf大（下层）③如果滤料级配不当（差别太大），最下层滤料达到vmf，上层滤料可能被冲走。（应调整级配；即滤料级配应考虑反冲洗问题）2、冲洗强度的确定：①单层滤料：q=10kvmf(L/s·m2)vmf—最大粒径滤料的最小流态化冲洗流速（cm/s）k—安全系数，取决于滤料粒径的均匀程度。取值k=1.1~1.3（常用值）不均匀度大，k取小；不均匀度小，k取大。②双层或多层滤料：要求各层滤料的vmf即要有一定的差值（冲洗后分层效果好）又要差值不能太大（下层达到vmf，上层滤料不被冲走）还要考虑清洗效果（滤料的碰撞磨擦）。可采取多档冲洗强度。3、非均匀滤料的膨胀度：设分成了n层，第i层滤料重量与总重量之比为pi第i层滤料膨胀前，厚：lio≈piL0设第i层滤料膨胀度为：第i层滤料膨胀后，厚li=lio(1+ei)li=piL0(1+ei)总膨胀度e：00iiiillle01000LLlLLLenii01001LLeLpniii%100111iniiepn——滤料分层数，可由筛分测得；pi——与n同样测得。ei——第i层滤料的膨胀度，可以由已知冲洗速度v再由式（书17-14）和（书17-10）求得。近似解：用滤料的当量粒径deq来代替d0(但精度差)平均直径d'i，di——某层滤料的过筛与截筛的筛孔直径，cmpi——同前n——同前设计工作：由膨胀度，定35%左右，（注：小于45%）求反冲洗强度，或查表17-6niiiieqddpd121二、气、水反冲洗1、特点：①可提高冲洗效果，节省冲洗水量；②可不膨胀或有轻微膨胀；③反冲洗后滤料不产生粒度分层，基本保持滤层原有结构，可提高含污能力。④增加气冲设备（鼓风机，储气罐等）池子结构复杂，操作复杂。2、原理：气泡和振动可有效地使滤料表面的污物破碎脱落，并随气水上浮排出。3、操作方式：（有3种）①先用气反冲再用水反冲；②先用气水反冲再用水反冲；③先用气反冲—气水反冲—水反冲。第③种效果最好问题：控制不当，滤料会剧烈翻腾，使滤料流失。4、强度控制：①气冲强度：10~20L/m2s（单独气冲和气水同时反冲时的气冲强度）②水冲强度：i气水同时反冲，3~4L/m2·sii单独水冲：低速：4~6L/m2·s较高速：6~10L/m2·s5、时间控制：一般，6~10min各水厂有自己的反冲经验。三、配水系统：1、作用：使冲洗水在滤池面积上均匀分布。2、不均匀的危害：反冲洗配水不均匀时，强度小的区域滤层不膨胀，强度大的区域滤层过分膨胀造成磨损、流失等，并恶性循环，至使承托层移动，漏砂。（一）大阻力配水系统：特点：反冲管渠水流阻力大→反冲布水均匀（现已少用）1、构造：反冲水流→中间干管或干渠→支管→支管下45°孔流出（称：沿途泄流穿孔管）进入滤池承托层→滤料层→排水槽。2、沿途泄流穿孔管中的压力变化。特点：管径不变，流量越来越小，（沿途泄流）进口流速大，v大终端流速小，v=0压力为H1压力为H2则：——水头损失，v——进口流速α——压力恢复系数α=1hgvHH2212水头损失代入式中得：L—管道长度,；Q—起端流量；a—管道比阻可得式：231aLQh2212312aLQgvHH25264cDa611Rnc4DRgvDLnHH25.411233.1212如粗糙系数n=0.012则当时H2＞H1造成：进口水量小于末端水量。33.1006.0LD总的配水系统见P335图17-15c点水量大于b点，b点大于a点右图能量变化的曲线3、大阻力配水系统原理：由图可知，a点和c点的水压不同→a点和c点的布水管孔口水量不同。孔口a的点水头损失：（孔口与滤层水头的损失）…(1)孔口c点的水头损失：…(1)'S1—孔口的阻力系数（孔口a、c相同）s'2；s2—孔口a、c上承托层和滤料等的阻力系数221)(aaQssH221)(ccQssHa孔与c孔压头的关系…(2)忽略各局部水头损失（认为其相同）及沿程损失。a点和c点的位置水头相同。设流速水头相同，则系统内：总水压头－位置水头－流速水头=水头损失∴或（2）可变为…（3）将（1）；（1）'代入（3）式是整理可得：22021aacvvgHH22021aacvvgHHgvvSSQSSSSQaac21220//212//21/21要想Qc≈Qa就要增大S1使:第二项:使s1非常大。即取小孔径，增大阻力。——称大阻力配水系统。或使v0、va很小，减小阻力。——称小阻力配水系统。两种方法均可削弱使配水不均匀的影响。1//21/11SSSS01//21SS3、穿孔管大阻力配水系统设计：孔口水流公式：μ—孔口流量系数；ω—孔口面积；Ha—a孔压力水头。∴两流量比：将（2）式代入则：如配水均匀性要求：可得：……（4）aagHQ2ccgHQ2cacaHHQQ22021aaacavvgHHQQ95.0caQQ95.021220acavvgHHgvvHaa29220为了简化计算，设Ha以平均水头损失计，当冲洗强度一定时，孔口公式：q—反冲流强度f总—配水系统孔口总面积。……（5）干管起点流速：…（6）ω0—干管截面平均总总agHfQ2平均总总agHfqFQ2103gfqFH211062总平均03010qFv支管起点流速：…（7）n—支管根数将（5）（6）（7）代入（4）式得：令孔口流量系数：µ=0.62整理公式。得：——判定标准。或称设计的依据。0310nqFva232032310102191021anqFqFgfqFg总29.0220anff总总大阻力配水系统优点：配水均匀。缺点：水头损失大，浪费能量，结构复杂,易堵管检修困难。设计参数：（据经验）(1)干管起端流速：1.0~1.5m/s支管起端流速：1.5~2.0m/s孔口流速：5~6m/s(2)开孔比α：孔口面积f总与滤池面积F之比。q—反冲强度L/s·㎡；v—孔口流速m/s。%1001000vqFf总i普通快滤池：(3)支管中心间距：0.2~0.3m支管长度与直径比：小于60。(4)孔口直径：9~12mm当干管D＞300mm时，干管顶也要开孔布水，孔上设档板。smmsL/)6~5(1000/15~12%25.0~%2.02（二）小阻力配水系统：（也称中阻力配水系统）1、构造：反冲水→配水室（大空间小v0）→滤砖或滤板（减小va）→承托层、滤料。2、优缺点：①布水不均匀（与大阻力相比）②水头损失小（冲洗压力消耗少）③结构简单。3、原理：由式：减小v0、va；s1适当大些，使Qc接近Qa使内压趋于均匀。4、配水均匀性的影响因素：v0——配水室进口流速。（配水室B×H）gvvSSQSSSSQaaC21220//212//21/2122021aaacavvgHHQQ令其为：va——滤砖进口流速va≈0滤砖布水孔口流量：∴代入式中：变换一下得：aagHQ2HBQvv0gQHaa2222gvgQgQQQaaca2222222222222222221aacQvQQ用孔口平均流速代替a孔流速：如孔口面积为f总。开孔比：代入结论：由式可知，当Ｆ（滤池面积）；Ｂ×Ｈ（配水室宽、高）一定时，配水均匀程度，是由开孔比控制的。实践上：①钢制格栅（滤板）α=(13~20)%②双层配水滤砖α=1%左右。aQfQ总vHBfQQfQa总总总Ff总21HBFQQaCFf总α小者的配水均匀性优于α大者（习惯上有人称：中阻力配水系统）H—一般取0.4m左右。5、几种小阻力配水形式：①钢筋混凝土穿孔板，开孔比：锥形孔：上α=11.8%下α=1.32%支撑→穿孔板→尼龙网→卵石→滤料（板）厚100mm平面980×980留（4cm）接缝，优点：配水性好；造价低；水口不易